A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VB düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
Is = 2,5 AVs = 4 VR1 = 2 ΩR2 = 6 Ω
VB = V
4.Düğüm analiziZor
A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
a–b arasına RL = 8 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.
V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 30 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 30 ms
W = mJ
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 5 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 2,5 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 100 ms sonra tetiklemelidir. C = 47 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 100 msC = 47 µF
R = kΩ
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 60 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Kondansatör üzerindeki rms gerilim VC değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VC = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
400 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,8 geri güç faktörlü 17 kW’lık bir yük ve 0,8 geri güç faktörlü 9 kW’lık bir yük. Kaynağın gördüğü toplam güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 400 VP1 = 17 kW, pf1 = 0,8 geriP2 = 9 kW, pf2 = 0,8 geri
cos φ =
12.AC güç ve güç faktörüZor
200 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,8 geri güç faktöründe 79 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?
Smax = 200 kVAP1 = 79 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 690 V olan bir kaynaktan 120 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,82 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 690 VIL = 120 Acos φ = 0,82
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,72 geri güç faktöründe 300 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 250 kVA, 2400/240 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 250 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 200 kVA bir transformatörün demir kaybı 1000 W, anma yükündeki bakır kaybı 1500 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 200 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 1500 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 23,67 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 20·28/(20+28) = 11,67 Ω
Req = R1 + 11,67 = 12 + 11,67 = 23,67 Ω
Cevap
Req = 23,67 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 11,79 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 4 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 11,32 Ω
R2 ∥ 11,32 = 7,79 Ω
Req = R1 + 7,79 = 4 + 7,79 = 11,79 Ω
Cevap
Req = 11,79 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: VB = 6,75 V
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
VB = VA + Vs = VA + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Çözün
VA/2 + (VA + 4)/6 = 2,5
VA = (2,5 − 4/6)/(1/2 + 1/6) = 2,75 V
VB = 2,75 + 4 = 6,75 V
Cevap
VB = 6,75 V
4.Düğüm analizi
Cevap: VA = −2,917 V
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 5 = 7,5 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken R₃’ten akım geçmez, bu yüzden üzerinde düşüm yoktur ve V_b = V_A olur. R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·3/(15+3) = 1,667 V
Yükü Thévenin eşdeğerine bağlayın
Thévenin kaynağı ve seri R_th, a–b’de özgün devreyle tamamen aynı davranır; bu yüzden yük basit bir seri çevre görür.
IL = Vth/(Rth + RL) = 1,667/(7,5 + 8) = 0,1075 A
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 5,324 A
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 2 = 6,8 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken Iₛ’nin tek yolu R₃ üzerinden A düğümüne gitmektir. V_A’yı V₁ ve Iₛ’nin süperpozisyonuyla bulun, sonra R₃ üzerindeki düşümü ekleyin.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9 + 4·4,8 = 28,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,2 + 4·2 = 36,2 V
Norton eşdeğeri
Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.
IN = Vth/Rth = 36,2/6,8 = 5,324 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 15,23 mJ
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Zaman sabiti ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A
Verilen andaki akım
i(t) = 0,5·(1 − e−30/22) = 0,3721 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·220·0,3721² = 15,23 mJ
Cevap
W = 15,23 mJ
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 3,07 kΩ
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Gerekli zaman sabiti
2,5 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms
Direnç
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
R = τ/C = 144,3/47 = 3,07 kΩ
Cevap
R = 3,07 kΩ
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: cos φ = 0,1602
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
XL = 18,85 Ω, XC = 265,3 Ω
Empedans
|Z| = √(40² + (−246,4)²) = 249,6 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 40/249,6 = 0,1602
Devre kapasitiftir, bu yüzden güç faktörü ileridir.
Cevap
cos φ = 0,1602
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: VC = 182,1 V
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω
Empedans
Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Her yükün reaktif gücü
Geri güç faktörlü yük reaktif güç çeker (Q > 0); ileri güç faktörlü yük reaktif güç verir (Q < 0).
Q1 = 17·tan(arccos 0,8) = 12,75 kvar
Q2 = 9·tan(arccos 0,8) = 6,75 kvar
Toplamlar
P = 17 + 9 = 26 kW
Q = 12,75 + 6,75 = 19,5 kvar
S = √(26² + 19,5²) = 32,5 kVA
Toplam güç faktörü
cos φ = P/S = 26/32,5 = 0,8 geri
Cevap
cos φ = 0,8
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: ΔP = 112 kW
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Mevcut yükün reaktif gücü
Q1 = 79·tan(arccos 0,8) = 59,25 kvar
En büyük toplam aktif güç
Tam değerde S = Smax’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 59,25²) = 191 kW
Ek aktif güç
ΔP = 191 − 79 = 112 kW
Cevap
ΔP = 112 kW
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 117,6 kW
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Görünür güç
S = √3·VL·IL = √3·690·120 = 143,4 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 143,4·0,82 = 117,6 kW
Cevap
P = 117,6 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 978,3 µF
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Güç faktörü düzeltme: kondansatörler reaktif gücü yerinde sağlar, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Üç kondansatörün her biri QC/3 = V²·ω·C sağlar; burada V o kondansatör üzerindeki gerilimdir: Δ grupta VL, Y grupta VL/√3.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç değişmediği için her güç faktörü reaktif gücü belirler: Q = P·tan φ.
Q1 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 190,6 kvar
Faz başına kapasitans
Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.
V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 63517/(377·415²) = 978,3 µF
Cevap
Cph = 978,3 µF
15.Transformatörler
Cevap: IHV = 104,2 A
İdeal transformatör: gerilimler sarım sayılarının oranında, akımlar ters oranda bulunur: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ve I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a; böylece giriş gücü çıkış gücüne eşittir, V₁·I₁ = V₂·I₂. Sekonderdeki bir Z yük empedansı primerden a²·Z olarak görünür.
Anma akımı
İki sargı da aynı görünür gücü taşır.
IHV = S/V = 250000/2400 = 104,2 A
Cevap
IHV = 104,2 A
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 163,3 kVA
Transformatör kayıpları: demir kaybı (histerezis ve girdap akımları) gerilime bağlıdır ve her yükte aynıdır. Sargılardaki bakır kaybı akımın karesiyle değişir; bu yüzden anma yükünün x kesrinde x²·Pcu,fl olur. Verim η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), burada Pout = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.